微生物孢子检测新技术：聚乙烯亚胺修饰光子晶体微流控芯片的创新应用

导读：

微生物孢子的高灵敏度检测在食品安全、环境监控以及疾病预防等多个领域具有重要价值。传统的检测方法往往受到灵敏度、特异性和检测速度的限制，难以满足现代生物安全和健康监测的需求。近年来，一种结合了聚乙烯亚胺（Polyethylenimine, PEI）修饰、光子晶体（Photonic Crystal, PC）技术和微流控芯片（Microfluidic Chip）的新型检测平台，因其卓越的检测性能而受到广泛关注。在这篇文章中，作者及其研发团队针对传统生物标志物检测方法存在的周期冗长、操作繁复、成本高昂以及检测灵敏度不足等问题，开发了一种PEI（聚乙烯亚胺）处理的光子晶体，旨在实现对核盘菌和淡紫紫霉孢子的高灵敏度检测。通过在光子晶体中掺入明胶分子，不仅显著提升了光子晶体的光热稳定性和在水溶液环境下的稳定性，还赋予了其独特的生物兼容性。

成果：

1. PEI的作用与孢子吸附增强

PEI的正电荷性质使得光子晶体表面电荷状态得以改变，从而显著增强了对带负电的核盘菌和淡紫紫霉孢子的吸附能力，有效提升了孢子的捕获效率。这一创新处理方式，为高效富集目标孢子提供了可能，确保了后续检测的准确性和可靠性。

2. 高效富集与定量检测

利用PEI修饰的光子晶体，研究团队成功实现了对核盘菌和淡紫紫霉孢子的高效富集，其决定系数分别高达0.963和0.971，表明检测结果与实际孢子浓度之间存在高度线性关系。检测范围覆盖了从10²到10⁶个孢子/ml的广泛区间，展现了光子晶体检测平台的高灵敏度和宽动态范围。更重要的是，该光子晶体表现出良好的重复使用性，不仅降低了检测成本，还提高了检测效率和可持续性。

3. 快速、无损的定量检测

PEI处理的光子晶体技术能够实现对微生物孢子的快速、无损和准确的定量检测。这一突破性进展，不仅简化了检测流程，还极大地提高了检测结果的准确性和可靠性，为生物标志物检测领域带来了革命性的变革。

综上所述，通过创新性地将PEI修饰的光子晶体应用于核盘菌和淡紫紫霉孢子的检测，研究团队成功克服了传统生物标志物检测方法的局限性，为生物标志物检测领域开辟了一条新的路径。这种高效、快速且准确的检测技术，不仅能够满足现代生物安全监测的高标准要求，还为食品安全、疾病预防与环境监控等关键领域提供了强有力的技术支持。

附图：

图1. PS/明胶/PEI光子晶体的制备和检测原理

该过程首先将经过亲水处理的载玻片垂直插入 0.8% 聚苯乙烯 （PS） 去离子水分散体中。然后，分散体在55°C的环境温度下自组装成有序的三维面心立方结构，如图1（A）所示。使用移液管将适量的明胶溶液加入PS光子晶体系统中，然后进行浸润处理。系统在65℃的恒定温度下保持 15 分钟。然后，得到PS/明胶光子晶体，表现出强烈的结构颜色和光子带隙特性。放大的图像显示，明胶分子主要填充微球之间的气隙。一旦自然风干，将结构浸没在预先准备好的PEI乙醇混合物中，反应30分钟，并让其干燥，因为乙醇在室温下自然蒸发。图1（D）所示的最终PS/明胶/PEI光子晶体。 图1（E）说明了光子晶体静态吸附孢子后的检测原理。反射光谱是使用 Ocean Optics 光纤探头和 Flame-s 微型近红外光谱仪测量的。稳定的卤钨灯（SLS201L）用作激发光源，覆盖300-1000nm的扫描范围。该系统集成时间为 50 ms，平均超过 25 次扫描，用于光谱采集的移动平均宽度为 5 nm。将PS/明胶/PEI光子晶体浸入孢子悬浮液中20 min后，观察到反射峰的波长偏移，从而深入了解带电晶体表面与微生物孢子之间的相互作用。

参考文献：

Peng W, Zhang Y, Yi C, et al. Polyethylene imine-modified photonic crystal microfluidic Chip for highly sensitive detection of microbial spores[J]. Food Chemistry, 2024: 140366.